5G网络中支持综合前传和回程的双频OFDMA-PON的动态子载波分配

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 4（2018）138www.elsevier.com/locate/icte5G网络中支持综合前传和回程的双频OFDMA-PON的最佳动态子载波分配亚赞·M 放大图片作者：Allawia，Jungbum Choa，Ahmad G.礼萨b，龙秀娜a，李承晚b创新技术&研发中心，HFR，Inc。b大韩民国大田KAIST电气工程部接收日期：2016年11月27日;接收日期：2017年8月14日;接受日期：2017年9月25日2017年10月31日在线提供摘要针对新兴5G网络中对前传和回传业务的严格要求，提出了一种新的用于双频带正交频分多址无源光网络（DB-OFDMA-PON）的动态子载波分配（DSCA）设计，支持集成的前传一个优化问题，制定最大限度地提高带宽利用率和QoS保证。仿真结果表明，我们提出的DSCA实现了预期的统计复用增益和高性能的吞吐量和延迟。c2017年韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：回程;动态子载波分配;前传;双频OFDMA;无源光网络1. 介绍最近，正交频分多址（OFDMA）已经被引入作为未来无源光网络（PON）系统的潜在候选，这是由于其提供可以满足5G移动前传（FH）和回程（BH）要求的高频谱效率的能力[1]。虽然与其他接入技术相比，这使得OFDMA-PON在聚合数据速率方面占据优势，但它为网络设计提供了更大的灵活性，带宽分配的粒度更细，这是5G移动网络运营商的额外优势[2]。此外，当光网络单元（ONU）的远程无线电头端（RRH）连接到光线路终端（OLT）的单个基带单元（BBU）时，PON配置在资本支出在这里，ONU和OLT*通讯作者。电子邮件地址：yazanma@kaist.ac.kr（Y.M. 阿拉维），rhee. kaist.ac.kr（J.K. Rhee）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2017.09.001在PON的上下文中，分别对应于远程终端（RT）和中心局终端（COT）[3，4]。另一方面，由与不同载波频率复用的多个OFDM符号组成的双频（DB）OFDMA-PON已被认为是有利的架构，因为其可以减轻单频带OFDMA-PON系统的实现成本，诸如高速数模和模数转换器、昂贵的射频（RF）组件和宽带数字信号处理[5]。DB-OFDMA-PON方法的主要原理是将COT提供的整个带宽划分为两个不重叠的频带，并且使每个RT配备有可调谐到感兴趣频带的RF本地振荡器（LO）已经提出了用于成本有效的DB-OFDMA-PON的不同的现有技术设计[5 在本文中，我们提出了我们的DB-OFDMA-PON系统架构，它包括一个COT连接的RT数量如图所示。1.以符合成本效益的方式，针对不同的高速FH和BH服务。实现这一提议的挑战之一是，是实现能够提供所需2405-9595/c2017韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。Y.M. 阿拉维等人/ICT Express 4（2018）138139SCFig. 1. 所提出的DB-OFDMA-PON系统架构的图示。在多频段的框架下，有效地利用系统带宽. DB-OFDMA-PON系统中的DSCA问题是一个优化模型，用于找到每个RT的最佳频带和子载波（SC）分配的大小，以及每个频带的分组，以便最大化带宽利用率和QoS保证。本文提出了一种新的DSCA算法，根据目标业务的严格要求，实时完成SC的初始分配和分配调整本文简要回顾了现有的DSCA计划和我们提出的DSCA算法，然后通过数值结果。2. 背景OFDMA-PON系统中的带宽分配问题，在文献中被称为子载波分配（SCA）问题，近年来受到了广泛的关注。这个领域最早的研究工作之一[9]提出了两个SCA算法。第一种是动态电路传输（DCT）算法，该算法涉及仅频域带宽分配，并采用三路信令与连接准入控制（CAC）进行有效的带宽估计。虽然DCT具有简单的信令要求，但它仅适用于非突发业务场景。在[9]中提出的第二种算法是固定突发传输（FBT），其中使用简单轮询调度和具有自适应周 期 时 间 的 交 织 轮 询 （ IPACT ） 算 法 来 实 现 混 合OFDMA/TDMA的时隙粒度。然而，FBT在满足QoS要求方面具有有限的性能。[10]中的工作提出了一种异步动态SCA（A-DSCA），它将固定数量的SC的数量被专门用于控制和管理信令，以实现RT之间的统计复用增益，从而消除了对同步的需要。然而，该方案需要频繁地交换报告消息（每个10.5 µs），这增加了COT并导致上游中不可忽略的开销。在[11]中提出的另一个DSCA中，不需要来自RT的状态报告，因为它监视它们关于服务质量（QoS）和服务级别协议（SLA）的队列状态。这提供了具有QoS感知的更简单的MAC设计。然而，低优先级RT可能遭受长的端到端延迟。为了减轻这些缺点，同一作者在[12]中提出了两种基于OFDMA/TDMA的混合算法：基于监视的顺序DSCA表1FH和BH业务类型和要求。服务类型速率（Mbps）NkSK非压缩压缩S1CPRI-2CPRI-31114.11211FHS2CPRI-3CPRI-52228.22422S3CPRI-5CPRI-74456.44843S4CPRI-7–8912.90086BHS5GbE–1114.11211S610GbE–11141.12107（S-DSCA）和基于报告的S-DSCA，在S-DSCA中，COT通过监视所利用的时隙来分配带宽，在基于报告的S-DSCA中，周期性地轮询每个RT以报告带宽的利用率这两种算法都能够提供细粒度和增强的QoS遵从性，以监测或报告为代价。当仅考虑FH服务或当所提供的BH服务始终分配有足够的资源时，应将固定SCA（FSCA）视为一种选项。例如，FSCA与不同的DSCA一起使用，以替代模式运行[11，12]。我们的DB-OFDMA-PON系统中的DSCA设计考虑强调DSCA算法的目标是在竞争RT之间有效地分配可用的系统容量，从而在图1所示的我们提出的DB-OFDMA- PON的物理层约束下实现更好的QoS性能。1.一、具体地，具有两个非重叠的频带（可以基于RT的服务需求在其上分配SC块）引入了在现有的单频带OFDMA-PON SCA算法中尚未解决的新挑战[9图图2详细描述了具有四个RT的示例，每个RT具有从表1中随机选择的不同的服务集合。在该示例中，假设系统在每个频带中具有128个SC，每个SC具有104.448Mbps的吞吐量。使用前面讨论的任何方法（即，监视、报告或专用控制子载波），COT可以确定需要分配给 每个关联的RT。图图2（b）示出了当以RT ID的顺序分配每个RT的供应的SC块时，可以如何利用虽然如[11]和[12]中那样，这种顺序（SEQ）分配将在传统的单频带OFDMA-PON中产生高利用率，但在[13]和[14]中的情况下并非如此。140Y.M. 阿拉维等人/ICT Express 4（2018）138SSCSC=+SC≤SCNSCZ∈ZSCNSC|NSC= 0SSC的数量，NSC或NSC，由设计Z为每个L或H波段的RTiP∑N≤ Ni=1j=1k= 1的双频带，如图中32个未充分利用的SC的示例所示。第2段（b）分段。实际上，网络运营商可以考虑根据最高需求优先（HDF）或最低需求优先（LDF）策略来分配RT的SC块。然而，这种以需求为基础的物流的表现 如图所示，效率不高。2（c）和（d），其中HDF和LDF分别导致48和32个未充分利用的SC。因此，我们需要开发一种用于在DB-OFDMA-PON系统中分配RT的SC块时有效利用可用SC的算法3. 双频OFDMA-PON DSCA3.1. 问题公式化在这里，我们主要考虑双频带DSCA与众所周知的多背包问题（MKP）的类比，基于此，我们的问题可以表述如下：给定一组RT（项），每个RT服务于不同数量和类型的服务（权重），COT应该仔细地在两个单独的频带（两个背包）中分配RT的SC块，使得它们的利用率最大化。因此，DB-OFDMA-PON系统中的DSCA问题被表示为优化模型，该优化模型由单个COT和RT的集合RT组成，其中每个RTi∈(a) 每个RT的子载波分配(b) 基于SEQ的分配。RT能够支持Ni混合FH和BH业务属于集合S。目标是针对每个RTi在高频带H和低频带L之间找到最佳SC分配，使得两个频带中的可用SC的利用率最大化。混合FH和BH服务Sk可以包括专用的和尽力服务要求。在这里，我们将Nk定义为(c) 基于HDF的分配。在Sk中提供峰值业务所需的SC的最大数量。然后，我们考虑相对于Nk和γ k（αkβk）提供比率参数αk和βk，Nk和γk分别表示SC的专用和尽力而为服务分配，γk（α k β k）表示所提供的SC数量与Nk的总比率。注意，γk1，因为βk可以根据瞬时业务变化动态地选择。表中所示的插图图。 2（a）给出了一个带有αk的SCA示例，(d) 基于LDF的分配。βk。Nk最大化利用率的优化问题两个条带的SC可以表示为：NRTiZ=arg max∑γkXi Yj， k×[（N i，j，L |Z）+（Ni，j，H |Z）](e) 基于ExS的最优分配。SC受制于：SC.图二. 用于RT的分配的子载波块的频带分配的说明性示例。N i≤N i，n为。t. RT i∈ RT（1）S PNRTi， L（H）L（H）SC SCi=1（二）约束（1）和（2）表示由物理层施加的限制：约束（1）通过RTi的端口的数量Ni来限制RT i所允许的服务的数量Ni。总（i， L（H）i， H（L））Si， L i， HPγk= 1，εks. t. S k∈ SFH。（四）SC数量，N L 或NH，由（2）的带。第1003章束缚（三）=0，则为s。t.RT i∈ RTY.M. 阿拉维等人/ICT Express 4（2018）138141·|·！=然后生成SC（）说明对于RTi的每个SC分配更新，必须仅在一个频带内选择由设计Z分配的SC，从而避免重新同步问题。这意味着RT不会同时分配来自两个频带的SC，如条件运算符（）所示。最后，约束（4）规定FH服务是专用服务，并且不受动态SCA的约束。最优SC分配设计Z，k可以在上述约束下从所有可能设计的集合Z中找到，其中使用Xi作为决策变量以指示RTi是否被激活（设置为1）或不被激活（设置为0），以及使用参数Yj， k以指示端口j是否被服务k利用。将我们的优化模型应用于图1中的供应链分配问题。如图2所示，实现了系统可用SC的100%利用率。 2（e），而这是没有观察到时，依赖于其他简单的化学。3.2. 提出的双频带DSCA算法提出的双频带DSCA算法，如图所示。 3、由两个步骤组成。第一步是初始分配，在初始分配中，我们首先要确保RTi允许的服务数量不超过其端口数量。然后，在不超过其最大容量要求的情况下，为每个被接纳的服务分配多个SC。我们的DSCA仅针对带宽分配考虑频域，这导致粒度低至单个SC。保持COT和RT的简单结构，并遵守目标服务的严格要求。对于FH服务的特殊情况，αk的值保持为1，以满足其严格的QoS要求，而在BH服务的情况下，服务提供商可以依赖于统计数据（即，平均值和方差）在合理的时间段内为该服务的业务收集。因此，分配给每个RT的SC块可以被计算为分配给其接纳的服务的SC的总和。现在，我们的DSCA为每个RT的SC块选择一个频带。这是通过穷举搜索来找到最佳选择Z，从而最大化所有活动RT的利用率来实现的，从而导致O（ NRT）的计算复杂度。我们建议的“津贴管制计划”的第二个步骤是分配津贴，调整，每次需要更新分配给RT的SC数量时触发。在这里，我们考虑的假设，COT是能够学习的能力要求，每个RT通过监测其流量状态。 为此，COT保持监视窗口定时器TMW以发起分配调整过程。当TMW0时，算法计算SC占用率Oi，其通过取在TMW期间针对RTi监视的业务的平均值与分配给其相关联的服务的容量的总和之间的比率来测量分配给每个RTi的SC中有多少实际被占用这将导致两种情况：第一种是Oi低于50%的表现不佳的RTi，第二种是Oi为图三. 提出了双频DSCA算法。类型.释放的SC作为保留容量存储在集合Φ中。接下来处理过度执行的RT，当发现时，只要Φ中存在可用的SC，就递增它们的SC分配。在为所有RT调整分配的SC之后，基于新的分配调整恢复传输，直到定时器TMW再次到期，此时重复该过程。4. 绩效评价在本节中，使用具有表2中给出的参数的计算机模拟来研究所提出的双频带DSCA算法的性能，其中S中的每个服务被映射到随机选择的RT端口以将多个SCNi与四个不同的RT相关联。SBH中BH服务的业务量基于正态分布Nμ，δ2，至少90%。因此，该算法将首先检查所有RT，以通过递减其分配的SC来处理任何表现不佳的RT，除非剩余的SC是专用的。给定平均值μ和方差δ，用于不同流量条件下的性能比较。另一方面，SFH中的FH服务绕过业务生成和监视，142Y.M. 阿拉维等人/ICT Express 4（2018）138=-==表2模拟参数。参数值最大容量：下行/上行（压缩）COT 20/20（40/40）GbpsRT 10/10（20/20）Gbps每个频带128副载波比特率104.448 MbpsRT数量4每个RT12COT和RT20公里传播延迟5µs/km授权处理延迟5µs频带重选延迟968微秒缓冲区大小1 MB监视窗口2 ms模拟时间100 S见图4。当流量方差为（a）δ = 0时，使用ExS进行频带选择的所提出的DSCA的容量利用率和网络吞吐量性能相对于简单的随机性。5μ和（b）δ=μ。因为它总是接收最大分配而不管其业务状态如何。在模拟时间Tsim开始时，SC最初仅基于αk分配给每个RT。之后，基于所监视的业务量Rbk来调整SC块。然后选择每个RT的SC块的频带。所得到的解决方案进行评估的系统容量利用率，网络吞吐量，和端到端的延迟，所有平均超过TSIM。图4，使用穷举搜索（ExS）算法提出的DSCA的性能进行了比较，在第2节中讨论的简单算法。两种流量变化考虑水平：δ处的中等方差0。5μ，以及δ处的高方差其中，0。5.在这两起案件中，我们注意到ExS在实现系统的保留容量的最佳利用、从而最大化网络吞吐量方面的能力;然而，只有HDF试探法保持可比较的性能。此外，随着α的增大，预留容量变得稀缺，这增加了简单算法的误差幅度。另一方面，增加方差δ显示了简单算法的不可预测性能，这是由于ExS Opt和ExS Worst解决方案之间的性能差距较大，如图所示。 4（b）.关于端到端延迟性能，图。图5比较了建议的DSCA在δμ时针对FH和BH服务的不同业务负载的结果可以看出，跳频服务保持非常低的延迟（低于250 µs），流量负载增加这是因为，交通图五、不同 网络流量负载下DSCA的端到端延迟性能。跳频业务的端到端时延不受排队时延的影响，唯一可能影响端到端时延的因素是频带重选的频率，该频率随着业务负载的增加而增加。另一方面，BH服务的端到端延迟随着流量负载而显著增加（在μ=1时高达4 ms当流量负载低于0.5时，增加初始分配的好处是明显的，之后， α= 0。25，α= 0。75缩小到100 µs左右。这是因为在较高的业务负载下，排队延迟对最终端到端延迟的贡献大于分配调整和收敛到最佳分配比所需的时间。Y.M. 阿拉维等人/ICT Express 4（2018）1381435. 结论提 出 了 一 种 新 的 双 频 OFDMA-PON 中 动 态 SC 分 配（DSCA）的两步算法。在第一步中，该算法决定初始SC分配和最佳频带为每个RT，依靠穷举搜索（ExS）。第二步是在监视窗口期间监视其相关联的服务的业务之后调整SC分配仿真结果表明，该算法能够实现较高的带宽利用率，满足5G移动网络中前传和回传业务对于未来的研究，我们提出的优化模型可以推广到多个物理模块，每个模块在同一COT内具有低频段和高频段。在这种情况下，基于ExS的解决方案将导致频带重选的高时间复杂度，因此，设计有效的启发式方法变得强制性。致谢这项研究得到了HFR Inc.的部分支持。根据引用[1] I.托姆科斯湾Kanonakis，欧盟项目ACCORDANCE对融合OFDMA-PON网络的结果，在：Proc.ICTON，2013，pp.一比四[2] N.陈晓，等.基于OFDM的光接入网. 30（4）（2012）384-398.[3] A.G. Reza ， J.K.K. Rhee ， G.Y. Kim ， A low-cost OFDMA-PONupstream architecture using direct-detection for front-haul service incloud radio access networks，in：Proc. PS，2015，pp. 268-270。[4] M.年Lyazidi，N.艾萨迪河Langar，Dynamic resource allocation forCloud-RAN in LTE with real-time BBU/RRH assignment，in：Proc.ICC，2016，pp. 1比6[5] N. Cvijetic，M. Huang，E. Ip，Y.邵，Y. Huang，M. Cvijetic，T.Wang，1.92Tb/s相干DWDM-OFDMA-PON，在100 km SSMF和1：64无源分裂上没有高速ONU侧电子设备，Opt. Express 19（24）（2011）24540-24545。[6] Q. Zhang，E.Hugues-Salas，Y.Ling，H.张河，巴西-地Giddings，J.张先生，M. Wang ， J. Tang ，Record-high and robust 17.125 Gb/s gross-rateover25km SSMF transmissions of real-time dual-band optical OFDMsignalsdirectly modulated by 1 GHz RSOA ， Opt. Express 22 （ 6 ）（2014）6339-6348。[7] I. 卡 诺 ， X 。 Escayola ， P. Schindler ， M. Santos ， V. Polo ， J.Leuthold，I. Tomkos，J. Prat，具有多频带ONU和弹性带宽分配的统计OFDM-PON的实验演示[邀请]，J. Opt. Commun.网络7（1）（2015）A73-A79。[8] E. Pincemin，M.宋，J。卡拉基岛Zia-Chaober，T.Guillossou，D.格罗特，G. 埃森农角贝图勒河Clavier，A.Poudoulec，M.Van der Keur，Y.哈万河Le Bidan，T.Le Gall，P.Gravey，M.莫尔万湾大仲马-费里斯，M. Moulinard ， G. Froc ， Multi-Band OFDM transmission at 100Gbpswith sub-band optical switching，J. Lightwave Technol.32（12）（2014）2202-2219。[9] W. Wei，T. Wang，中国山杨D. Qian，J. Hu，基于光正交频分多址接 入 （ OFDMA ） 的 无 源 光 网 络 的 MAC 协 议 ， 在 ： Proc.OFC/NFOEC，2009年2月。2008年[10] J. Zhang，T. Wang，N. Ansari，An efficient MAC protocol for asyn-ONU in OFDMA PONs，in：Proc. OFC/NFOEC，Mar. 2011年。[11] W. Lim ， P.Kourtessis ， M.Milosavljevic ， J.M.Senior ， Dynamicsubcarrier allocation for OFDMA-PON with monitoring mechanism，in：Proc. ANIC，June 2011.[12] W. Lim，P.Kourtessis，M.Milosavljevic，J.M. 高，100 Gps，40 kmOFDMA-PON 与 SLA 和 CoS 的 动 态 子 载 波 分 配 ， J 。 LightwaveTechnol.31（7）（2013）.[13] 根据D4.2，支持FDM的MAC协议的定义/OFDM操作，3月。2011年。